一种风电机组转速的检测识别方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明机械设备运行参数的检测技术领域，尤其设及一种风电机组转速的检测识 别方法及系统。
【背景技术】
[0002] 风力发电机组是实现将风能转换成电能的设备，其核屯、部分是由风轮、传动链、发 电机构成的能量转换和传递系统。风轮将风能转换成旋转机械能，经过传动链传给发电机 转子，发电机实现旋转机械能到电能的转换。风力发电机组通常安装在较差的地区，而且风 速、载荷和风轮转速连续变化，导致机组运行工况复杂，极易造成风轮、传动链、发电机等承 受载荷部件出现故障甚至损坏，而且风电场机组分布范围广，出现故障不易及时发现和维 修，影响机组的安全经济性。随着风电机组投运数量、单机容量的不断增长，W及海上风电 规模的逐渐扩大，提升风电机组检修技术水平成为风电运行企业的迫切需求，因此风电机 组运行状态监测与故障诊断技术逐渐引起高度关注。风电机组的机械故障主要发生在风轮 至发电机的整个传动链上的各个零部件，包括主轴轴承、增速齿轮箱内的各级齿轮及轴承、 发电机转子轴承等。与一般机械设备中的传动链相比，风电机组传动链的载荷状态、运行工 况、环境条件和结构布局等方面均比较复杂，导致传动链中齿轮、轴承等主要零部件的故障 机理和故障发展模式等存在特殊性，因此故障率高于其它行业的同类设备，实际使用寿命 远远低于设计寿命。
[0003] 转速是旋转机械设备的主要参数之一，也是旋转机械设备故障诊断的一个重要参 数，特别是对于风电机组该类变速变载旋转机械设备，其振动特性受转速的影响非常明显。 有无转速信息，对于机组设备运行状态的判断及故障特征提取的效果影响非常大。大型风 电机组设备通常在风轮低速主轴和发电机高速转子末端安装有转速测点，将转速信号接入 机组监控系统。振动监测系统一般为独立运行的系统，主要监测各个部件的振动加速度信 号和必要的运行参数，如机组的输出功率、转速等。为了避免影响机组监控系统的正常运 行，振动监测系统的信号通常取自独立安装的各种传感器测点。振动加速度传感器的现场 安装比较方便，而测量转速的传感器安装相对困难，受到机组现场条件的限制。对于便携式 振动监测系统，转速传感器的安装和信号获取问题更加突出。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出一种风电机组转速的检测识别方法，包括：
[0005] 步骤1、通过安装在发电机转子前后两端支撑轴承座上的振动加速度传感器来检 测发电机结构振动加速度信号；对振动加速度信号进行预处理，去除信号中的趋势项和直 流分量；
[0006] 步骤2、对信号进行窄带滤波处理，窄带滤波的上下截止频率分别取双馈式风电机 组发电机的最低和最高旋转频率；
[0007] 步骤3、对滤波后的信号做奇异值降噪处理，提高窄带信号的信噪比，突出振动信 号中的旋转频率成分；
[0008] 步骤4、对降噪后的信号进行离散傅里叶变换，得到信号的离散频谱，利用内插法 得到转子旋转频率的估计值；
[0009] 步骤5、根据旋转频率估计值，计算发电机转子的转速，并根据增速齿轮箱内的传 动齿轮结构和齿轮齿数，计算齿轮箱中各级齿轮轴的转速W及风轮低速主轴的转速。
[0010] 所述步骤1中某一端支撑轴承座上的振动加速度信号X(n)经过窄带滤波处理后 得到带通信号，将其当做一个噪声干扰的正弦信号，即；
[0011]
【主权项】
1. 一种风电机组转速的检测识别方法，其特征在于，包括： 步骤1、通过安装在发电机转子前后两端支撑轴承座上的振动加速度传感器来检测发 电机结构振动加速度信号；对振动加速度信号进行预处理，去除信号中的趋势项和直流分 量； 步骤2、对信号进行窄带滤波处理，窄带滤波的上下截止频率分别取双馈式风电机组发 电机的最低和最尚旋转频率； 步骤3、对滤波后的信号做奇异值降噪处理，提高窄带信号的信噪比，突出振动信号中 的旋转频率成分； 步骤4、对降噪后的信号进行离散傅里叶变换，得到信号的离散频谱，利用内插法得到 转子旋转频率的估计值； 步骤5、根据旋转频率估计值，计算发电机转子的转速，并根据增速齿轮箱内的传动齿 轮结构和齿轮齿数，计算齿轮箱中各级齿轮轴的转速以及风轮低速主轴的转速。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1中某一端支撑轴承座上的振动加 速度信号X(η)经过窄带滤波处理后得到带通信号#?h将其当做一个噪声干扰的正弦信 号，即：
式中N为有限长信号的数据点数，u(n)为干扰噪声，&为信号频率，Atl为正弦信号的幅 值，％为正弦信号的初始相位。
3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3中包括对滤波信号进行相空间 重构，得到重构相空间矩阵A，然后对A进行奇异值分解，奇异值分解公式为：U TAV = Σ，U、 V分别为分解矩阵；分解得到信号的奇异值矩阵Σ，其中包含N个按大小排序的奇异值；保 留Σ中最大的K个奇异值，K〈N，然后做反变换，即f = USVt，由反变换得到的相空间矩 阵A'进行重构信号，从而获得了降噪信号。
4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4对经过窄带滤波和奇异值降噪后 的信号进行离散傅里叶变换，得到信号的离散频谱|X(m)| ;如果信号不满足整周期截取的 条件，离散幅值谱中的峰值点m偏离信号频率&，存在偏差Θ ;采用内插法求出偏差的估计 值I偏差估计值的计算公式为：
式中，如果4〇11+1)|>4(111-1)|，取变量（1=1，否则取变量（1=-1，111为正整数。
5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4中根据偏差估计值4求出旋转频 率的估计值尤，计算公式为：
其中，频率估计值的最大误差
Δ?·为离散频谱的频率间隔，fs为离散 信号的采样频率，m为正整数，A为偏差的估计值；N为有限长信号的数据点数。
6. 根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述整周期截取的条件为：
θ I <0.5,式中，B为截短窗宽度，Ttl为信号的周期，N为有限长信号的 数据点数，为信号的频率，fs为离散信号的采样频率，m为正整数，Θ为偏差。
7. -种风电机组转速的检测识别系统，其特征在于，包括：振动传感器、数据采集器、 振动监测工作站，振动传感器安装在发电机转子前后两端支撑轴承座上，数据采集器分别 与振动传感器和振动监测工作站相连； 所述振动监测工作站包括依次相连的：窄带滤波模块、奇异值降噪模块、频率估算模 块、转速计算模块； 其中，窄带滤波模块对采集到的振动加速度信号进行窄带滤波处理，窄带滤波的上下 截止频率分别取双馈式风电机组发电机的最低和最高旋转频率； 奇异值降噪模块对滤波后的信号做奇异值降噪处理，提高窄带信号的信噪比，突出振 动信号中的旋转频率成分； 频率估算模块对降噪后的信号进行离散傅里叶变换，得到信号的离散频谱，利用内插 法得到转子旋转频率的估计值； 转速计算模块根据旋转频率估计值，计算发电机转子的转速，并根据增速齿轮箱内的 传动齿轮结构和齿轮齿数，计算齿轮箱中各级齿轮轴的转速以及风轮低速主轴的转速。
【专利摘要】本发明公开了一种风电机组转速的检测识别方法及系统，通过测取风电机组发电机轴承座振动加速度信号，首先去除信号中的趋势项和进行带通滤波，滤波通带的上下截止频率分别取双馈式风电机组发电机轴的最低和最高旋转频率；对滤波后的信号做奇异值降噪处理，提出带通信号中的突出旋转频率成分；最后对滤波降噪后的信号进行离散傅里叶变换，利用内插傅里叶变换法得到转子旋转频率的估计值。该方法可以给出发电机转子旋转频率的精确估计，为不同部件的故障特征提取提供必要的转速信息，不需要通过安装转速测量系统来获取转子转速信号，简化了振动监测系统，降低了系统成本，易于工程实施。
【IPC分类】G01H17-00, G01P3-14
【公开号】CN104865400
【申请号】CN201510175876
【发明人】柳亦兵, 姜锐, 马志勇, 滕伟
【申请人】华北电力大学, 华能集团技术创新中心
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月14日